河南省化肥使用量对粮食产量的影响

金新港，常国华，李昌明，王闻天，王瑞兵

(兰州城市学院地理与环境工程学院 甘肃省矿区污染治理与生态修复工程研究中心，甘肃 兰州 730070)

近十几年来，我国农业化肥使用量不断增长，已成为世界化肥消费第一大国[1]。化肥的使用对提高农产品产量具有重要的作用。但是，我国肥料的平均利用率仅30%左右，大部分养分，如氮和磷等流失到大气、水体和土壤中，引发严重的环境问题[2-3]。化肥的超量施用和盲目施用，不仅不利于粮食增产，而且还会降低农产品品质，影响食品质量，危害人体健康，同时也增加了农业生产成本，并导致土壤理化性状变劣，如土壤酸化、土壤肥力下降，从而进一步产生追施化肥的恶性循环。据2010年发布的《第一次全国污染源普查公报》显示，农业面源污染已成为我国水环境污染的主要因素，而化肥的大量施用正是诱发农业面源污染的重要因素之一[4-5]。杨家曼等[6]对2011年我国31个省(市、自治区)的化肥施用情况进行分析，结果表明，我国大部分粮食产地都存在氮、磷、钾肥施用比例失衡、化肥污染较严重的问题。同时，化肥在制造过程中的能耗和产生的工业污染也是相当惊人的，以氮肥为例，我国氮肥生产年均能源消耗量约为1亿t标准煤，而且正以每年接近1 000万t标准煤的速度增长[7]。因此，控制化肥的使用量对保护生态环境和人群健康均具有重要意义。

河南省拥有丰富的农产品资源，是我国重要的商品粮基地和棉、油、烟主产区之一。2012年，河南省粮食总产量达到5 638.6万t，连续9 a增产，连续7 a年粮食总产超500亿kg。河南省粮、棉、油、烟产量的提高离不开化肥的使用。2012年，河南化肥用量(折纯)达684.43万t，居全国首位，平均施用量为950.31 kg·hm-2，是全国化肥平均施用水平的2倍[8]。1978—2016年，河南化肥使用量年均递增7.11%，目前仍处于上升趋势，因此，研究该地区化肥使用量对粮食产量的影响具有典型意义。

1 材料与方法

1.1 资料来源

粮食产量、化肥使用量及有效灌溉面积等数据源于国家统计局。

1.2 研究方法

查阅数据并对各数据进行分析。引入化肥使用强度的概念，以反映单位有效灌溉面积上的化肥使用量。为评价单位土地面积上化肥对粮食增产的效果，引入单位土地面积化肥增产率(%)的概念，即某年度单位有效灌溉面积的粮食增量与当年化肥使用强度的比值。其中，某年度单位有效灌溉面积的粮食增量为本年度粮食产量较上年度粮食产量的增加值。

2 结果与分析

2.1 化肥使用量

1987—2016年，河南省化肥使用(折纯)量见表1。折纯是指将氮肥、磷肥、钾肥分别按含N、P2O5、K2O的含量进行折算[9]。下文所说的使用量均为折纯后的用量。根据大多数情况，将复合肥中的N、P2O5、K2O含量统一按1∶1∶1做简化处理。

表1 河南省1987—2016年的化肥使用量 单位：万t

从表1可以看出，河南省1987—2016年的化肥使用量升高。对氮肥、磷肥、钾肥及复合肥的使用量(yN、yP、yK、yC)分别与时间(t)进行线性拟合：

yN=4.8t-9 422.5，R2=0.864 7；

yP=2.99t-5 888.92，R2=0.889 1；

yK=2.47t-4 907.09，R2=0.986 1；

yC=10.76t-21 417.93，R2=0.944 9。

由上述拟合方程可知，钾肥用量与时间的线性关系较好，复合肥使用量的增长速度最快。1987年，氮肥使用量最大；到2012年，复合肥的使用量超过氮肥，成为使用量最大的化肥。复合肥使用量的增加，说明土地的综合肥力水平下降。应施加有机肥，改善土壤状况，发展生态农业。

农用化肥中氮肥、磷肥和钾肥比例是影响粮食产量的重要因素。目前，世界上发达国家的这一比例是1∶0.5∶0.5，世界平均水平是1∶0.46∶0.36，我国是1∶0.5∶0.4[10]。以2016年为例，河南省的氮磷钾肥用量比例是1∶0.65∶0.5，与发达国家相比，磷肥施用量偏高。应根据土地营养状况、土壤肥力和农作物特点，进一步优化肥料施用比例，提高化肥有效利用率。

2.2 化肥总使用量、有效灌溉面积和粮食产量

不区分具体化肥种类，统计河南省1978—2016年粮食产量、化肥总使用量及有效灌溉面积的变化趋势(图1)。化肥总使用量在1978—2016年稳步增加，从1978年的52.54万t增加到2016年的715万t，38 a间增长12.6倍，年均增长率为7.1%；有效灌溉面积从1978年的372.2万hm2增加到2016年的524.3万hm2，年均增长率为0.9%；粮食产量自1978年的1 900万t增加到2016年的5 946.6万t，38 a间增长了2.1倍，年均增长率为3.1%。

对1978—2016年的粮食产量和化肥总使用量进行线性拟合(图1)，结果表明，化肥使用量(y1)与年份(t)的线性关系，及粮食产量(y2)与年份(t)的线性关系都较好，拟合方程：

y1=19.25t-38 071.57，R2=0.989 8；

y2=106.25t-208 277.6，R2=0.954 5。

2.3 化肥使用强度

如图2所示，1978—2016年间，河南省的化肥使用强度整体呈上升趋势，但自2013年后化肥使用强度逐年减弱。对河南省化肥使用强度(y)与时间(t)进行线性拟合：y=0.034t-66.19，R2=0.989 7。可以看出，河南省1978—2016年的化肥使用强度随时间推进呈线性上升趋势，且线性关系较好。以2016年为例，河南省的化肥使用强度为1 363.7 kg·hm-2，是发达国家规定值(225 kg·hm-2)的6倍。

图1 河南省1978—2016年粮食产量、化肥总使用量及有效灌溉面积的变化

图2 河南省1978—2016年化肥使用强度的变化

2.4 单位有效灌溉面积的粮食产量

有效灌溉面积是衡量农业生产的一个重要指标，是保障粮食安全的关键[11]。河南省1978—2016年单位有效灌溉面积的粮食产量的变化趋势如图3所示：1984年之前，增长迅速；1984—2004年，在8.67 t·hm-2上下波动；之后，快速增长并趋于稳定。若要进一步提高单位有效灌溉面积的粮食产量：一方面，应在保证现有农田有效灌溉面积的基础上，合理调整种植结构，提高粮食作物有效灌溉面积的比例，这也是未来农业主产区增加粮食产量的根本出路[12]；另一方面，应提高灌溉用水效率，适度增加农田灌溉用水量。

图3 河南省1978—2016年单位有效灌溉面积的粮食产量的变化

2.5 单位面积化肥增产效果

化肥是现代农业生产投入中的重要元素，与粮食增产有着密切的关系[13-14]。如图4所示，1978—2016年，单位质量化肥投入对应的粮食产量整体下降，至2000年后趋于稳定，1万t化肥的产粮量基本维持在8.59万t。对1978—2016年河南省单位质量化肥投入对应的粮食产量(yg)与时间(t)进行拟合：yg=7.96+8.82×1099e(-t/8.72)，R2=0.929 4。可以看出，单位质量的化肥投入对应的粮食产量随时间推进呈指数下降趋势。

图4 1978—2016年河南省单位质量化肥投入对应的粮食产量的变化

如图5所示，1978—2016年河南省单位土地面积化肥增产率整体呈波动下降趋势，有几年甚至为负，到2000年以后渐趋于0。这说明，当前条件下化肥投入对河南省粮食增产的效果已经很低，虽然化肥使用量持续增加，但由此带来的化肥增产效益基本稳定，继续增加化肥使用量并不会带来产量的大幅提高。若要进一步增加粮食产量，应考虑推广使用有机肥。有机肥的施用可以改善土地土壤结构，增加土壤本身的透气性和透水能力，在提高粮食产量和质量的同时减少环境污染[15]。同时，也要注意发挥防灾技术、农业机械化等其他要素对粮食增产的作用[16]。

图5 1978—2016年河南省单位土地面积化肥增产率的变化

3 小结

1978—2016年，河南省化肥使用量、化肥使用强度整体上升，但单位土地面积化肥增产率却波动下降，近年来单位土地面积化肥增产率已趋近于0，化肥对粮食增产的效果已经很低。河南省想要进一步提高粮食产量：一方面应大力推广有机肥，通过调整施肥方式、优化施肥结构、对传统化肥进行增效改性等措施进一步提高肥料的增产效果，同时应着力发挥技术要素对粮食增产的作用；另一方面，要增加农田有效灌溉面积，提高农田土壤质量和肥力，为粮食增产打下基础。